310 khối kiến thức 3 Di truyền học

sẽ đẩy các bazơ nitơ có tính kị nớc tơng đối vào trong và rời
xa khỏi các phân tử nớc trong phần dung dịch bao quanh.
Watson đã xây dựng đợc một mô hình với các bazơ nitơ hớng
vào phía trong của chuỗi xoắn kép. Trong mô hình này, hai
khung đờng - phosphate chạy đối song song với nhau, nghĩa là
các tiểu đơn vị của chúng chạy song song nhng ngợc chiều
nhau (xem Hình 16.7). Chúng ta có thể tởng tợng sự sắp xếp
tổng thể giống nh một chiếc thang dây với các thanh thang
vững chắc. Hai dây của thang ở hai bên tơng ứng với hai
khung đờng - phosphate, còn mỗi thanh thang tơng ứng với
một cặp bazơ nitơ. Lúc này, chúng ta có thể tởng tợng một
đầu của thang dây đợc cố định, còn đầu kia đợc vặn xoắn,
tạo nên cấu trúc xoắn lò xo đều đặn. Các số liệu của Franklin
chỉ ra rằng chiều dài mỗi vòng xoắn trọn vẹn dọc trục chuỗi
xoắn dài 3,4 nm. Với khoảng cách giữa hai lớp cặp bazơ kế tiếp
xếp chồng lên nhau là 0,34nm, sẽ có 10 lớp cặp bazơ nitơ
(tơng ứng với 10 thanh thang) trong mỗi vòng của chuỗi xoắn.
Các bazơ nitơ trong chuỗi xoắn kép kết cặp với nhau theo tổ
hợp đặc hiệu: adenine (A) với thymine (T), còn guanine (G) với
cytosine (C). Thí nghiệm theo mô hình "thử và sai", Watson và
Crick đã phát hiện đợc đặc điểm quan trọng này của ADN.
Đầu tiên, Watson tởng tợng các bazơ kết cặp theo từng loại,
nghĩa là A với A, C với C. Nhng mô hình này không phù hợp
với các số liệu tia X vốn cho biết đờng kính dọc chuỗi xoắn là
đồng nhất. Vì sao sự sắp xếp này không phù hợp với kiểu kết
cặp theo từng loại? Adenine và guanine là các purine; các bazơ
của chúng có cấu trúc hai vòng hữu cơ. Ngợc lại, cytosine và
thymine thuộc một họ các bazơ khác gọi là pyrimidine vốn chỉ
có cấu trúc một vòng. Do vậy, các purine (A và G) sẽ có chiều

. Bài báo mô tả mô hình ADN mà họ
tìm ra: chuỗi xoắn kép, để rồi từ đó nó dần trở thành biểu tợng
của sinh học phân tử. Vẻ đẹp của mô hình này chính là ở chỗ:
cấu trúc ADN chỉ cho chúng ta thấy cơ chế sao chép của nó. *
J.D. Watson and F.H.C.Crick, Molecular structure of nucleic acids: a
structure for deoxyribose nucleic acids, Nature 171: 737-738 (1953). Purine + Purine: quá rộng
Pyrimidine + Pyrimidine: quá hẹp

Purine + Pyrimidine: chiều
rộng phù hợp với số liệu tia X Hình 16.8 Sự kết cặp các bazơ nitơ trong A
DN.
Các cặp bazơ nitơ trong một chuỗi xoắn kép ADN đợc giữ lại
với nhau bởi các liên kết hydro (trên hình ở đây đợc vẽ bằng
đờng nét chấm màu đỏ).

Đờng

Đờng

Đờng


giữa các bazơ nitơ trong phân tử ADN đã làm lóe lên ý tởng
đa Watson và Crick đến với mô hình cấu trúc chính xác của
chuỗi xoắn kép. Cùng lúc đó, họ tìm thấy ý nghĩa về mặt chức
năng của nguyên tắc kết cặp các bazơ. Họ đã kết thúc bài báo
của mình bằng một câu phát biểu hài hớc nh sau: Điều ám
ảnh chúng tôi là nguyên tắc kết cặp đặc hiệu mà chúng tôi coi
nh định đề đã ngay lập tức chỉ ra một cơ chế sao chép vật chất
di truyền có thể tồn tại. Trong phần này, chúng ta sẽ đề cập
đến nguyên lý cơ bản của sự sao chép (tái bản) ADN cũng nh
một số đặc điểm chi tiết quan trọng của quá trình đó.
Nguyên lý cơ bản: kết cặp bazơ với mạch
làm khuôn
Trong một bài báo thứ hai, Watson và Crick phát biểu giả
thiết của họ về cơ chế sao chép ADN nh sau:
Lúc này, trong thực tế mô hình về axit deoxyribonucleic của chúng tôi
chính là một cặp các mạch làm khuôn, mà mỗi mạch bổ sung với
mạch còn lại. Chúng tôi tởng tợng ra rằng: trớc khi sự sao chép
diễn ra, các liên kết hydro bị đứt gy, sau đó hai mạch gin xoắn và
tách khỏi nhau. Mỗi mạch sau đó đợc dùng làm khuôn để hình thành
nên một mạch mới đi kèm với nó; nhờ vậy, cuối cùng chúng ta sẽ nhận
đợc hai cặp chuỗi xuất phát từ một cặp chuỗi ban đầu. Ngoài ra,
trình tự của các cặp chuỗi bazơ đợc sao chép một cách chính xác.
*

Hình 16.9 mô tả ý tởng cơ bản của Watson và Crick. Để dễ
tởng tợng, trên hình chỉ minh họa một đoạn chuỗi xoắn kép
ngắn ở dạng duỗi thẳng. Điều đáng lu ý là nếu chúng ta chỉ

kiểu bảo toàn hoặc phân tán là khó giải thích, nhng trong thực
tế không thể loại bỏ những mô hình này nếu thiếu bằng chứng
16.
2

Khái niệm

Nhiều protein phối hợp trong
sao chép và sửa chữa ADN

(a) Phân tử ADN mẹ có hai mạch ADN
bổ sung với nhau. Mỗi loại bazơ kết
cặp đặc hiệu với một loại bazơ
tơng ứng của nó qua các liên kết
hydro; trong đó A liên kết với T, và
G liên kết với C.
(b) Bớc đầu tiên trong sao chép là hai
mạch đơn ADN tách nhau ra. Mỗi
mạch của phân tử ADN mẹ lúc này
đợc dùng làm khuôn để xác định
trình tự các nucleotide dọc theo
mạch ADN mới, bổ sung với nó.
(c) Theo nguyên tắc bổ sung, các
nucleotide "xếp hàng" dọc mạch
mới và liên kết với nhau tạo nên
khung đờng - phosphate. Mỗi
phân tử "con" sẽ có một mạch cũ
của phân tử ADN mẹ (xanh sẫm) và
một mạch ADN mới (xanh nhạt).
Hình 16.9 Mô hình sao chép ADN cơ bản. Trong mô hình giản lợc này, một phân đoạn ADN sợi kép ngắn đợc

xoắn kép ngắn trên hình biểu diễn một phân tử ADN trong tế
bào. Bắt đầu từ tế bào "mẹ" ban đầu, chúng ta theo dõi quá
trình sao chép hình thành nên hai thế hệ tế bào "con" tơng ứng
với hai
lần sao chép ADN. Màu xanh nhạt biểu diễn các đoạn
ADN đợc tổng hợp mới.
(a) Mô hình bảo
toàn. Hai mạch
làm khuôn kết
hợp trở lại với
nhau sau quá
trình sao chép;
vì vậy, sợi xoắn
kép "mẹ" đợc
khôi phục lại
nh ban đầu.
(b) Mô hình bán
bảo toàn. Hai
mạch của sợi
xoắn kép "mẹ"
tách nhau ra;
mỗi mạch đợc
dùng làm
khuôn để tổng
hợp nên một
sợi kép mới .
(c) Mô hình phân
tán. Mỗi mạch
của hai phân tử
ADN sợi kép

N-
14
N" duy
nhất. Kết quả này đã loại bỏ mô hình sao chép kiểu bảo
toàn. Lần sao chép thứ hai (lần II) tạo ra một băng ADN nhẹ
và một băng ADN lai. Kết quả này đã loại bỏ mô hình sao
chép theo kiểu phân tán. Trên cơ sở đó, các nhà khoa học
đã kết luận rằng ADN sao chép theo kiểu bán bảo toàn.

M. Meselson and F.W. Stahl, The replication of DNA in
Escherichia coli, Proceedings of the National Academy of Sciences
USA 44: 671 - 682 (1958).
Đọc và phân tích bài báo gốc trong tiểu
mục Thực hành điều tra: hiểu và diễn giải các bài báo khoa học.
Nếu Meselson và Stahl bắt đầu nuôi vi
khuẩn trong môi trờng chứa
14
N rồi sau đó mới chuyển vi
khuẩn sang môi trờng chứa
15
N, kết quả sẽ nh thế nào?
Hình 16.11
Nghiên cứu phát hiện

Thí nghiệm

Kết quả

Kết luận


thấp
Tỉ trọng
cao
Thực hành điều tra

Mô hình
bảo toàn

Mô hình

bán bảo toàn
Mô hình

phân tán
Sao chép lần I

Sao chép lần
I
I

Chơng 16 Cơ sở di truyền học phân tử 313

ADN này và phân chia thành hai tế bào con có vật chất di
truyền giống hệt nhau trong vòng cha đến 1 giờ. Mỗi tế bào
trong cơ thể bạn có 46 nhiễm sắc thể trong nhân tế bào; trong
đó, mỗi nhiễm sắc thể là một phân tử ADN xoắn kép dài, mạch
thẳng. Tính tổng cộng, hệ gen nhân ở ngời chứa khoảng 6 tỉ
cặp bazơ, tức là lớn hơn hệ gen của tế bào vi khuẩn. Nếu chúng
ta in toàn bộ trình tự hệ gen ngời dới dạng các kí tự A, T, G
và C ở kích cỡ nh trình bày ở đây, thì thông tin di truyền trong

Hình 16.12 Các điểm khởi đầu sao chép ở
E. coli
và ở sinh vật
nhân thật (eukaryote). Mũi tên màu đỏ chỉ sự dịch chuyển của chạc sao
chép, nghĩa là chiều sao chép ADN diễn ra ở mỗi bóng sao chép.
Điểm khởi
đầu sao
chép
(a) Nhiễm sắc thể dạng vòng ở E. coli và nhiều vi khuẩn khác
chỉ có một điểm khởi đầu sao chép. Tại điểm khởi đầu sao
chép, hai mạch đơn ADN tách khỏi nhau hình thành nên
bóng sao chép gồm hai chạc sao chép. Quá trình sao chép
tiến về cả hai phía cho đến khi các chạc sao chép ở hai đầu
gặp nhau; kết quả tạo nên hai phân tử ADN con. Hình ảnh
chụp bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ở trên cho
thấy nhiễm sắc thể vi khuẩn chỉ có một bóng sao chép.
(b) Nhiễm sắc thể ở eukaryote là những phân tử ADN dạng mạch
thẳng, kích thớc lớn. Quá trình sao chép ADN bắt đầu khi
bóng sao chép hình thành tại nhiều điểm dọc phân tử ADN.
Bóng sao chép mở rộng khi hai chạc sao chép của nó tiến
dần về hai phía. Cuối cùng, các bóng sao chép dung hợp vớ
i
nhau và sự tổng hợp các mạch ADN con kết thúc. Hình ảnh
chụp bằng TEM ở trên cho thấy đoạn nhiễm sắc thể trên của
tế bào chuột Hamster dòng Chinese có ba bóng sao chép.
Vẽ tiếp

Trên ảnh TEM ở hình (b), hãy vẽ
thêm mũi tên ở bóng sao chép thứ ba.
Phân tử

vật nhân thật có thể có hàng trăm, thậm chí hàng nghìn điểm
khởi đầu sao chép. Kết quả là nhiều bóng sao chép đợc hình
thành; cuối cùng chúng dung hợp với nhau tạo nên những
bản sao hoàn chỉnh của các phân tử ADN có kích thớc rất lớn
(Hình 16.12b). Bằng cách này, tốc độ sao chép ADN ở sinh vật
nhân thật tăng lên. Cũng giống ở vi khuẩn, quá trình sao chép
ADN ở sinh vật nhân thật tiến về cả hai phía của bóng sao chép.
ở hai đầu của bóng sao chép có chạc sao chép. Đó là vùng
có dạng chữ Y là nơi hai mạch đơn ADN của chuỗi xoắn kép
tách nhau ra. Có một số protein tham gia vào hoạt động tháo
xoắn này (Hình 16.13). Helicase là nhóm các enzym có vai trò
giãn xoắn và tách hai mạch đơn ra khỏi nhau. Mỗi mạch đơn
sau đó đợc sử dụng làm khuôn (mạch mẹ) để tổng hợp nên
mạch ADN mới. Sau khi các mạch làm khuôn tách nhau ra, các
protein liên kết mạch đơn, gọi tắt là SSB, sẽ đính kết vào
mạch ADN làm khuôn và giúp chúng trở nên ổn định. Sự tháo
xoắn của chuỗi xoắn kép trong vùng bóng sao chép sẽ làm cho
các đầu ở chạc sao chép trở nên bị vặn xoắn chặt hơn và hình
thành lực căng. Topoisomerase là nhóm enzym giúp giải tỏa
lực căng này bằng khả năng làm đứt gãy tạm thời các liên kết
cộng hóa trị trên mạch đơn ADN, xoay các mạch đơn quanh
nhau để tháo xoắn, rồi nối chúng trở lại với nhau.
Các mạch ADN mẹ sau khi giãn xoắn đợc dùng làm
khuôn để tổng hợp các mạch ADN mới. Tuy vậy, enzym trực
tiếp tổng hợp ADN không có khả năng khởi đầu quá trình tổng
hợp chuỗi polynuclotide mới; chúng chỉ có thể bổ sung các
nucleotide vào đầu 3 của một chuỗi có sẵn nếu nucleotide bổ
sung kết cặp phù hợp với nucleotide trên mạch ADN làm
khuôn. Vì lý do này, chuỗi nucleotide đầu tiên đợc tạo ra
trong tổng hợp ADN luôn là một đoạn ngắn ARN, chứ không

(gồm đờng pentose và bazơ nitơ) liên kết với ba nhóm
phosphate. Chúng ta đã đề cập đến một phân tử nh vậy là ATP
(adenosine triphosphate; xem Hình 8.8). Sự khác biệt duy nhất
giữa phân tử ATP (có vai trò trong trao đổi năng lợng) với
dATP (là tiền chất của adenine trong ADN) là ở thành phần
đờng. Nếu nh đờng trong ADN là deoxyribose thì đờng
trong ATP là ribose. Cũng giống nh ATP, các nucleoside
triphosphate đợc dùng để tổng hợp nên ADN là những chất
hóa học phản ứng mạnh; một phần bởi chúng chứa đuôi
triphosphate vốn tích điện âm và kém bền. Mỗi lần một
nucleotide gắn thêm vào chuỗi đang kéo dài, hai nhóm
phosphate (kí hiệu là -i và còn đợc gọi là pyrophosphate)
sẽ đứt khỏi phân tử nucleoside triphosphate tiền chất. Sự thủy
phân diễn ra ngay sau đó của nhóm pyrophosphate thành hai
phân tử phosphate vô cơ i đi liền với các phản ứng sinh nhiệt
là động lực để phản ứng trùng hợp ADN diễn ra (Hình 16.14).
Hình 16.13 Một số protein liên quan
đến khởi đầu sao chép ADN. Các loại
protein giống nhau hoạt động ở cả hai chạc sao
chép của cùng một bóng sao chép. Để giản
lợc, ở đây chỉ minh họa một chạc sao chép.
Topoisomeras
e làm đứt gãy
các mạch đơn, tháo xoắn rồi
nối chúng trở lại với nhau.
Các protein liên kết mạch
đơn (SSB) giúp làm ổn định

mạch ADN làm khuôn.
Primase tổng hợp